王佺珍教授团队在石墨烯材料对紫花苜蓿植物毒害方面研究取得重要进展

近日，学院王佺珍教授团队在环境科学与生态学领域Top期刊《Chemosphere》（IF₂₀₂₀: 7.0856）发表了题为“Phytotoxic effect and molecular mechanism induced by graphene towards alfalfa ( Medicago sativa  L.) by integrating transcriptomic and metabolomics analysis”的研究论文。博士研究生陈钊为本论文的第一作者，王佺珍教授为该论文通讯作者。

随着纳米材料在工、农、医等领域的广泛应用，其必然会通过各种途径进入环境，并进一步通过食物链在高营养水平生物中积累。当纳米粒子大量存在植物体内时，纳米材料对植物也具有毒性效应，影响植物幼苗的萌发，根系、叶片的生长以及作物的生物产量。该研究结合代谢组学与转录组学的数据特点，分析了不同抗性紫花苜蓿品种对高浓度石墨烯胁迫的响应机制。结果表明，中度和重度石墨烯胁迫（10和20 g kg-1）对叶片氮代谢、抗氧化防御系统和光合作用过程有显著的干扰。不同抗性紫花苜蓿品种叶片进行超高效液相色谱-质谱（UPLC-ESI-MS/MS）分析，共确定了406种响应石墨烯胁迫的代谢物，其中金皇后在中度和重度胁迫中分别发现62种（26 种上调，36 种下调）和110种（49 种上调，61 种下调）差异代谢物，Bara 310SC分别鉴定出13种（8 种上调，5 种下调）和58种（30 种上调，28 种下调）差异代谢物。转录组数据结果显示共产生250003个FLNC和65241个非冗余转录本。金皇后和Bara 310SC叶片在中度胁迫下分别得到7583和6163个DEGs，在重度胁迫处理下分别得到9136和9254个DEGs，且两个品种在中度和重度胁迫下共同表达1125个 DEGs。代谢组学和转录组学结果表明差异表达代谢物和差异表达基因的数量与石墨烯胁迫程度呈正相关。

进一步分析我们发现，两个苜蓿品种会根据其胁迫程度改变自身氨基酸、脂质、次级代谢物（包括有机酸、异黄酮和黄酮）、核苷酸及其衍生物的含量来适应不同程度的石墨烯胁迫；转录组结果表明DEGs参与光合作用、抗氧化还原反应、氨基酸代谢以及蔗糖和淀粉代谢途径。多组学联合分析结果表明，参与氨基酸代谢通路及烟酸和烟酰胺代谢通路的差异基因和差异代谢物在石墨烯胁迫下得到显着富集，说明氨基酸代谢通路及烟酸和烟酰胺代谢途径是苜蓿适应石墨烯胁迫的关键代谢途径。本研究从分子层面探明了纳米材料对植物生物毒理效应以及可能存在的其他潜在风险，为纳米材料在植物上的可行性研究提供参考。

该研究得到National Key R&D Program of China (2017YFE0111000)和Horizon 2020 of EU-China Collaborative project (EUCLEG 727312)项目的资助。

原文链接： https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.133368

2021年，该团队在紫花苜蓿响应石墨烯材料的表达谱分析及其分子机制方面取得了系列进展。相关论文分别发表在《Environmental Science: Nano》、《Ecotoxicology and Environmental Safety》和《Plant Physiology and Biochemistry》上，原文相关链接分别如下：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2021/EN/D1EN00257K?page=""search

https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2021.112348

https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2021.03.039